SPWM变频调速系统设计.docx
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SPWM变频调速系统设计
课程设计名称：
《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》课程设计
题目：
SPWM变频调速系统设计
专业：
自动化
课程设计任务书
一、设计题目
SPWM变频调速系统设计
2、设计任务
1）要求采用SPWM控制方式，整个系统要求采用双闭环系统。
2）设计思路清晰，给出整体设计框图；
3）单元电路设计，给出具体设计思路和电路；
4）分析各部分电路的工作原理，给出必要的波形分析。
5）绘制总电路图,写出设计报告；
三、设计计划
1.主电路只有一个可控的功率环节，简化结构。
2.使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近1。
3.逆变器在调频的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应。
4.可获得比常规六拍阶梯更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小。
5．详细分析正弦波SPWM型变频调速系统设计过程。
四、设计要求
1.根据题目要求，分析谁并确定主电路的结构形式和调整系统的组成；
2.调整系统主电路元部件的确定及其参数计算器；
3驱动控制电路的造型设计；
4.绘制电气原理总图
指导教师：
教研室主任：
时间:
摘要
变频调速是交流调速中的发展方向，有多种方法可以实现变频调速，变频调速也有多种方法，本文对目前研究领域相当活跃的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的变频调速作了一定的研究，并进行了实践。
本设计首先对变频调速的对象——交流电动机的变频调速原理进行了介绍，并展开介绍SPWM变频调速的理论基础。
其次介绍了调速系统的总体设计思想以及详细设计思路，并给出了完整的硬件电路设计，变频调速的控制算法也有许多，本文对目前大部分通用变频器所采用的控制算法——恒压频比控制。
在硬件电路设计中，本文采用了SA868调制芯片产生SPWM信号，比传统的模拟电路产生SPWM波具有电路简单、控制性能优良及高可靠性等特点。
关键词：
变频调速SPWMSA868调制芯片
1.绪论
1.1变频调速的发展
二十世纪末以来,电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛应用。
众所周之早期的交-直-交变压变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。
为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发应用PWM技术的逆变器，由于它的优良技术性能，当今国内外生产的变压变频器都已采用这种技术。
PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。
在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要应用于PWM逆变（DC－AC变换）。
PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。
但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。
本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。
SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
1.2变频调速的优点
（1）系统稳定且平滑性好，调速范围广；
（2）变频器容量不断扩大，结构小型化，逐渐多功能化和高效性化；
（3）在故障率方面，由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大的优势；
（4）在工作特性方面，静态特性和动态特性都能做到和直流调速系统不相上下的程度。
1.3SPWM变频调速的优点
基于集成SPWM电路构成的变频调速系统具有以下优点：
（1）结构简单。
（2）运行可靠。
（3）节能效果显著。
（4）性价比高。
2.变频调速原理
2.1交流电动机变频调速原理
对于笼型异步电动机来说，要调节转速，可以通过改变同步转速来实现。
而同步速与频率有如下关系：
其中：
-极对数
-供电频率
-同步速
由上式可知，当频率
连续可调时，电动机的同步速
也连续可调。
又因为异步电动机的转子转速
总是比同步转速
略低，所以，当
连续可调时，
也连续可调。
可见，改变电源的供电频率可以改变电机的转速。
2.2SPWM变频调速的理论基础
2.2.1SPWM的概念
采样定理的一个重要结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节时，其效果基本相同，冲量即是脉冲的面积。
在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。
当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制（SPWM）.
2.2.2SPWM调制原理
3.2.1重要理论基础——面积等效原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量
窄脉冲的面积
效果基本相同
环节的输出响应波形基本相同
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图所示：
O
u
ωt
>
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
3．恒压频比控制的SPWM变频系统的分析
3.1变频调速控制方式分析
在基频（额定频率）以下调速时，由于E1的大小不易从外部加以控制，而定子绕组的阻抗压降（
U=
，
为定子绕组的阻抗压降，包括电阻和漏磁电抗）在电压较高时可以忽略，所以可以认为电动势和电源相电压近似相等即有U1
E1，因此作为一种可行的方案是在电源电压较高时用电源相电压U1代替电动势E1，当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降所占比重加大，不可以忽略，所以要人为的补偿，这是一种近似的恒磁通控制，这种控制方式常用于恒转矩控制，如下图2-1.
在基频以上调速时由于电压U,受额定电压的限制不能升，因此在频率升高时，迫使主磁通变小，进入弱磁变频调速，属于近似恒功率控制，如图2-1.但是用恒压频比代替恒电动势频率比的一个重要缺点是在速度降低时，电动机的带载能力也同时下降转矩利用率下降，从图2-2的a,b可以看出a图的临界转矩点随着速度的降低也减小，而b图则没有变化，然而要达到b图的效果就要保持E1/f1的比值为恒值而不仅是保持U1/f1比值为恒值了。
基于上述原因，在变频调速的基本控制方式下，改变频率的同必须改变电压，所以称之为VVVF（VariablevoltageVariableFrequency）控制。
恒转矩调速
恒功率调速
0
n
图2-1异步电机变频调速的控制特
3.2静止式SPWM间接变压变频装置
SPWM间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率和幅值的交流电，故又称为交一直一交变压变频装置。
其系统原理框图如图2-3所示在这类装置中，用不控器件整流，而逆变部分用SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构;而且由于以全波整流代替了相控整流，所以提高了输入端的功率因数，减小了谐波对电网的影响。
此外，因输出波形由方波改进为SPWM波，减少了谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。
3.3SPWM调制变频技术
SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。
如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。
同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。
如图2-4所示。
设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为
。
令第i个矩形脉冲的宽度为
，其中心点相位角为
，则根据面积相等的等效原则，可写成：
=
=
（2-3）
当n的数值较大时，近似的认为sin
/（2n）=
/（2n），于是
（2-4）
相比于其它各种变频
变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。
由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性能。
一般的，SPWM分单极性和双极性两种调制方式。
T
图2-2SPWM的输出波形
3.3.1单极性SPWM法
单极性SPWM法输出的每半个周期中，被调制成的脉冲电压只有一种极性，正半周为十U和零，负半周为一U和零，其调制波形如图2-5a）所示。
曲线1是正弦调制波um，其周期决定于所需要的调制比kf。
曲线2是采用等腰三角波的载波uc，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于
1时正弦调制波的振幅值.每半周期内所有三角波的极性均相同，都是单极性。
调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度，所得的脉冲系列如图2-5a）中的uc所示.由图知，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。
单极性调制的工作特点是:
每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断的工作，另一个完全截至;而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反。
流经负载的便是正、负交替的交变电流（如图2—5b）所示。
12
0
wt
0wt
图2-3a单极性SPWM调制图图2-3b单极性调制的工作特点图
3.3.2双极性SPWM法
上述的单极性SPWM逆变器主电路每相只有一个开关器件反复通断。
如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到了双极性的SPWM波形。
双极性SPWM法的调制波u仍为正弦波，其周期决定于今，振幅决定于气，如图2-4a）中的曲线1.曲线2载波uc为双极性的等腰三角形，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于k=1时正弦调制波振幅值。
调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图2-4b）所示。
但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的，如图2-4c）所示。
双极性调制的工作特点是:
逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息。
而流过负载凡的是按线电压规律变化的交变电流，如图2-4d）所示。
A）
1
2
wt
B）
wt
C）
wt
D）
wt
ZL
ZL
图2—4双极性SPWM调制图
3.4SPWM控制信号的产生方法
（1）SPWM的模拟控制
原始的SPWM是由模拟控制来实现的。
图2-7是SPWM模拟控制电路原理框图。
三相对称的参考正弦电压调制信号
，
，
由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。
三角载波信号
由三角波发生器提供，各相共用。
它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波
，
，
，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。
参考信号
发生器
驱动V1-V6
SPWM波形
三角波发生器
图2-7SPWM波模拟控制电路
（2）SPWM的数字控制
数字控制是SPWM目前常用的控制方法。
可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。
随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生控制信号的集成电路芯片，配合微处理器进行控件生成SPWM信号方便得多。
国内制的电动机微机控制系统，大多采用8031,8098等。
由于这些芯片并非为电动机控制设计的，为了实现电动机控制的某些功能，不得不增加较多的外器件必须以多片集成电路方能构成完整的控制系统。
4.调速系统的设计
4.1调速系统的整体设计思想
本系统主要由主电路、SPWM信号产生芯片外围电路、隔离电路组成。
其结构框图如图：
整流与滤波电路
功率变换器
负载系统
交流电源
隔离电路
隔离电路
SA868调制芯片
速度大小输入控制
电压检测
电流检测
其中，主电路由整流滤波电路和功率变换器组成，系统通过调制芯片产生控制波控制逆变器的开关器件的通断，从而产生SPWM波调节电机转速。
4.2主电路设计
4.2.1主电路设计
电路图如下：
4.3SA868电路设计
4.3.1SA868芯片简介
SA868是英国Mitel公司推出的三相SPWM波形发生器，内设驱动器，可直接驱动光耦，实现隔离，其载波频率可达24kHz，以利实现静音运行，同时其调制频率范围可达0~4kHz，它采用工厂掩膜编程，无须CPU内部采用的双极性调制、脉冲取消时间和脉冲延迟时间均可依据需要调节设置，而加速时间和减速时间可由外接电阻设置。
采用SA868构成的变频调速系统具有低成本、电路简单、控制性能优良及高可靠性等特点。
SA868芯片因其无须外接微处理器就可以输出变频的PWM波形而简化电路，降低系统成本，同时可不用开发软件，缩短研制周期。
SA868调制波形有正弦型、增强型、高效型波形，同时接口简单，容易构成实用的变频调速专用控制系统。
4.3.2外部引脚及内部原理框图
SA868外部引脚图如下：
图中主要引线端介绍如下：
RESET：
复位端，低电平有效，当其输入为低时，完成下述功能：
a.所有PWM输出置零；
b.所有内部计数器置零；
c.瞬时频率置零，方向选择位置1
DIR：
方向设置端，该位输入为高，且内部信号允许时，为正方向旋转；该位输入为低时，反方向旋转.
SET1—SET4：
速度设置端，通过改变这四位数值可设置新的目标频率.
Vmonitor、Imonitor：
逆变器输入电压、电流监控端.
Raccel、Rdecel：
加速、减速速率设置端，外接电阻、电容.
XTAL1、XTAL2：
时钟输入、输出端.
RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB：
逆变桥臂控制输出.
SETTRIR：
输出关闭设置端，当其输入为高时，经过3—4个主时钟周期的延时仍为高，PWM输出信号被禁止，该禁止状态可通过RESET消除.
TRIP：
关闭状态指示端，低电平有效，指示已关闭PWM信号.该端可直接驱动LED.
SA868的内部原理框图如下：
4.3.3工作原理及控制
（1）速度控制原理
由图可知，用户需要的转速值，通过速度设置端SET1—SET4键入，该值经地址译码器译码，就可得出速度查寻表上相应转速的地址，从而将该转速输出，该速度查寻表由16*18位ROM组成，每18位确定一个特定的设置速度，共有16种速度，即16档，在这18位数据中，B0—B15低16位确定转速。
查寻表18位中高二位和方向设置端DIR一起确定旋转方向，即由三者译码输出一个需要的方向，如表所列。
（2）加速/减速控制原理
加速/减速控制主要通过16位幅值比较器和17位加/减计数器组成.加/减计数器的时钟由加速振荡器和减速振荡器提供.加速速率设置端的外接电阻、电容确定加速振荡器频率；减速速率设置端的外接电阻、电容确定减速振荡器频率，加速/减速时间可由下式给出：
其中，
通过确定合适的
就可设置所需加速/减速速率。
16位幅值比较器将查寻表给出的16位目标频率和加/减计数器输出的实际瞬时频率相比较，结果由UP和DOWN两位输出，如表所列.
表的两位输出由电压监控VMONITOR、电流监控IMONITOR、需要的旋转方向，17位加/减计数器最高位输出共同确定，是需要加速还是需要减速，必须遵循下述原则：
1）假如UMONITOR>UDDA/2（UDDA:
模拟电源电压），禁止任何加速和减速，其目的主要防止超过减速速率，产生太大的再生功率，反馈给功率电路，从而引起过压.
2）假如IMONITOR>UDDA/2，不管幅值比较器输出UP和DOWN为何值，均按预设的减速率减少，瞬时输出频率，假若瞬时频率已降低至零，而IMONITOR仍大于UDDA/2，则关闭PWM输出，以防止电机在静止状态下过热.用来防止出现太高的加速速率，从而引起功率级开关过流、过温现象出现.
3）假如UMONITOR,IMONITOR均在正常范围，则是否加减速由下表确定：
（3）幅值控制原理
为了获得对电机磁通的满意控制，SA868在各种频率下一直控制电机电压，如图所示.
由图可知，当频率为零时，提供一个可变的基础电压UB.用以克服电阻压降，在此之后，电压随频率成比例线性增加直至选择的基本频率fB，该频率通常为50Hz或60Hz，也可以是频率范围以内的其它频率.在达到基本频率之前电机工作在恒转矩状态，达到基本频率以后，由于幅值一直保持最大，当频率继续增大时，必然导致转矩下降，于是电机工作在恒功率范围.
4.3.4SA868的保护电路
因没有微处理器用于完成管理和保护功能，这些功能被移植到SA868芯片上，提供以下三种保护：
1）过电流检测：
如果过大的电流在半导体器件中流过，所施加的电压必须被减小，直到电流被降到安全水平，这通常是过高的加速率或过载引起的.通过在线串联电流检测电阻（0.1Ω左右）来监测，通过滤波后输入SA868的IMONITOR，如果电阻两端电压过高（过流），以致于其输出使SA868内的比较器输出状态改变，则该控制片使电机减速，直至过流消除后，再按照要求加速.
2）过电压检测：
在减速期间，如果电机反馈给滤波电容器的再生能量过大，减速必须暂停，否则整流桥和滤波电容器会损坏，这通过检测整流桥输出电压来监测.整流桥的输出电压通电阻分压器与SA868的UMONITOR端子连接，如果电压过高，以致于其输出使SA868内的比较器输出状态改变，则停止减速，直到过压消除，再恢复减速.
3）紧急事故处理：
SETTRIP被用于在紧急事故发生时，迅速关闭半导体功率器件，这个输入被传输到功率半导体隔离驱动器上，以便在发生灾难性故障时迅速动作，其动作时间大约100ns.一但SETTRIP被启用，必须通过RESET重新复位，以消除关断条件，方能重新工作.
4.3.5SA868基本外围电路设计
根据以上讨论，结合实际应用，可以组成如下用于控制三相电机的变频调速应用电路，如图所示，使用该芯片构成的变频器，需要外围扩展元件很少，因而具有结构简单、可靠性高及低成本等优点。
其中，KA与SB1—SB4既可以通过简单的开关来实现，也可以用单片机来实现自动控制。
其中，SA868的基本外围电路如图：
5.其它模块电路设计
5.1电压电流检测电路
检测主回路的电压和电流等信号输入运算回路进行比较，进而决定逆变器的输出电压、频率。
电压电流的检测回路的设计应注意与主回路的电气隔离保护，电路图如图4.5所示。
4.5检测电路隔离环节
5.2调节器设计
本系统采用电流转速双闭环控制系统，电路中的ACR（电流调节器）和ASR（转速调节器）均设计为PI（比例积分）调节器，由PI调节器构成的滞后校正，可以保证系统的稳态精度，其设计如图4.6所示。
4.6速度调节器
5.3速度检测电路
速度回馈是双闭环控制系统的重要环节，速度检测电路是以装在异步电动机轴上的速度检测器TG的信号为速度信号，输入运算电路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
速度检测电路设计如图4.7所示。
4.7速度检测电路
5.4保护电路设计
5.4.1过电流保护
IGBT的过流保护电路可分为2类：
一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。
对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。
这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。
IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。
如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。
存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。
软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。
但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。
降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。
若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。
过电流保护的电路图如图9所示。
图9过流保护电路图
5.4.2IGBT开关过程中的过电压保护
关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。
极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。
所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。
但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。
一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。
5.4.3启动限流保护
启动电机时，产生的大电流会对电力电子器件和控制回路造成巨大的冲击，为避免启动大电流对系统的破坏，启动限流保护电路设计如图10所示。
启动限流
图10启动限流保护
6.总结
采用SA868构成
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